近年來，新一輪世界科技革命正在進行，第三次工業革命加速孕育，以3D打印機為代表的堆積制造業正成為第三次工業革命的重要標志。堆積制造改變了過去通過去除多余材料進行加工生產的制造模式，通過逐層堆積材料進行直接生產，帶來制造工藝、制造模式的根本變革。歐、美等發達工業國家無論在堆積制造技術創新還是在應用領域都已經取得了顯著進展。與發達國家相比，我國雖取得了一批基礎研究成果，但堆積制造技術的產業化進程仍相對緩慢。當前，我國正處于工業轉型升級的關鍵時期，發展堆積制造業對于搶占先進制造業發展制高點、加速工業轉型升級具有重要意義。

　　堆積制造（Additive Manufacturing，AM）技術，俗稱3D打印技術，以計算機設計模型為藍本，通過軟件分層離散和數控成型系統，用激光束或其他手段將塑料、合金等特制粉末進行逐層堆積黏結，最終疊加成型，制造出實體產品。這一技術始于快速成型技術（RP），綜合應用了CAD/CAM技術、激光技術、光化學以及材料科學等諸多方面的技術和知識，目前已經發展出激光燒結技術、熔融沉積成型技術、立體光刻技術、噴墨沉積（3D打印）技術、電子束（e-beam）熔煉技術、超聲波固結技術（UC）等幾種類型。國際標準化組織（ASTMF42）召開的技術委員會決定，堆積制造技術是以上諸類技術的總稱。

　　3D打印技術越來越多地應用在電影制造業。

　　當前，在全球范圍內堆積制造已初步實現產業化，預計未來5～10年，隨著技術的不斷進步及市場需求的擴大，以3D打印機為代表的堆積制造業將呈現新的發展趨勢。

　　2016年市場規模過31億美元

　　堆積制造技術誕生25年以來，已應用于各個行業，年均增長率接近27%。

　　堆積制造技術誕生25年以來，已應用于從航空航天到牙科和口腔正畸等各個行業，堆積制造產品和服務收入的年均增長率接近27%。據市場研究公司Wohlers Associate發布的2012年度報告，2011年堆積制造業銷售收入達16.8億元，比上年增長29.4%。據預測，到2016年該行業市場規模將達到31億美元，到2020年將增長到52億美元。

　　首先是個人應用增加。隨著2000美元以下堆積制造設備的引入，個人或團體愛好者越來越可能購買和使用堆積制造設備。其次是專利權的到期加速了其在國際范圍的應用。早期堆積制造專利面臨到期，并開始影響到新設備的開發及其在美國和海外的應用。

　　主要國家積極推進技術應用

　　從堆積制造應用來看，歐洲占29.1%，北美占40.2%，亞洲占26.3%，其他地區占4.4%。

　　美國和歐洲在堆積制造技術的研發及推廣應用方面具有領先地位。美國在3D打印機領域居于壟斷地位，是全球3D打印技術和應用的領導者。當前，美國Z Corporation和斯特塔西（Stratasys）兩家公司的產品在全球占有絕大多數市場份額。1994年，美國麻省理工學院（MIT）的科研和技術專家發明了3D打印技術并申請了專利。1997年，Z Corporation公司正式成立，并將3D打印技術推向市場，其3D打印機產品在全球市場份額中占一半以上。美國Stratasys公司也率先推出了基于FDM技術的快速成型機，并很快發布了基于FDM的Dimension系列3D打印機。

　　當前，由于FDM技術得天獨厚的優勢，已經在汽車、家電、電動工具、機械加工、精密鑄造及工藝品制作等領域使用。歐洲緊隨美國重視對3D打印機的研發應用，至今已生產出多種新產品。具有代表性的有意大利發明家恩里科·迪尼（Enrico dini）發明的一臺巨大的3D打印機，這臺機器可以用沙子直接打印立體的建筑。歐洲飛機制造公司空客公司（Airbus）正推出3D打印飛機計劃，預計2050年前完成，此計劃將使用機庫般大小的3D打印機，制造飛機零件。

　　其他國家也在不斷加強堆積制造技術的研發及應用。澳大利亞近期制定了金屬堆積制造路線；南非正在扶持基于激光的大型堆積制造機器的開發；日本著力推動堆積制造技術的推廣應用；中國堆積制造設計服務市場快速增長，已有幾家企業利用堆積制造技術生產機器設備和提供服務。從堆積技術的應用來看，歐洲地區占29.1%，北美地區占40.2%，亞洲地區占26.3%，其他地區占4.4%。其中，亞洲地區的應用主要集中在日本和中國。

　　堆積制造業依然面臨挑戰

　　堆積制造業已經有了長足發展，但有關材料、工藝、設備和應用的挑戰依然存在。

　　（一）材料可用性

　　目前的可用原料還不多，開始逐步從樹脂、塑料擴展到陶瓷、金屬，乃至最新的金、銀以及強度極高的鈦和不銹鋼等材料。雖然已有大量的同質與異質材料混合物應用于堆積制造業，但仍然需要開發更多的材料。其中包括更好地理解已經使用的材料的加工-結構-屬性之間的關系，從而了解這些材料的局限性和優點。此外，還需要開發質量測試程序和方法，以幫助擴展可用材料的種類。另外還需要為材料提供力學性能數據的規范性標準，也需要更詳細的由這些材料性能制成零部件的規范信息。工程師和設計師在沒有充分認識材料屬性之前，是無法進行相應零部件設計的。目前很多堆積制造工藝和材料已經得到研發。因此，建立全面的規范標準只需要整合資源，但這需要研究機構以及系統與材料制造商共同參與。

　　（二）工藝條件

　　一是工藝控制。為提高機器之間的連貫性、重復性和統一性，需要有內部過程監控和閉環反饋的方法。應認真審查原位傳感器，以此來提供無損性評估，并使之能夠進行早期缺陷檢測，特別是與熱能控制有關的缺陷檢測。較好的流程控制也將減少設備故障時間，而這是目前許多機器和工藝面臨的主要問題。二是工藝理解與建模。要了解和預測材料性能（如表面粗糙度和疲勞性能），就需要有堆積制造工藝的新物理模型。更好地理解基礎物理學將有助于創建預測性模型，使設計師、工程師、科學家和用戶能夠估計零部件在設計過程中的功能特性，并調整設計以達到預期的結果。

　　（三）設備要求

　　一是需要建立設備認證標準。設備認證標準可以幫助實現機器到機器以及部件到部件的可重復性。政府的資格審查程序使得行業規范更加嚴格。因此，盡可能簡化這些必要的程序可以幫助獲取更多的堆積制造技術。依靠標準化的材料性能數據庫，對設備或工藝水平的認證可以幫助減少認證時間和精力消耗。二是設備的模塊化。許多用于堆積制造的控制器與設備模塊有封閉式的架構，使用戶難以測試新鑄造程序、材料等。開放式架構控制器和可重構設備模塊將使制造和研究更靈活，這類似計算機數控（CNC）加工系統的模式。

　　（四）設計工具

　　堆積制造要求開發和廣泛運用計算機輔助設計（CAD）工具。對于直接零部件制造，需要新的工具來優化形狀和材料性能，同時設計復雜的點陣結構，以最大化地減少材料使用和重量。對于非專業性市場，基于網絡的新設計工具可能允許非專業人員創造性地設計滿足其需求的產品。新的支持Web的協同設計環境會帶動專業設計師連同初級用戶一起進行個性化設計。

　　對于直接零部件生產而言，依然面臨4個方面的技術挑戰：一是變形開裂——主要是熱應力控制不好，容易變形，控制變形又容易開裂；二是內部質量——力學性能低，無法承受住疲勞高溫等；三是技術標準——對任何一個新技術產業來說，標準都是很重要的；四是成套裝備——缺乏大型裝備（如真空爐，目前歐洲已具有30噸的真空爐），只適合做小型零件激光快速成型。